Innehållsförteckning. TSFS09 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 12 Motor Jämförelse Diesel och Bensin. Förbränningsprocesserna

Transkript

1 Innehållsförteckning TSFS9 Modellering och Reglering av Motorer och Drivlinor Fö 1 Motor Jämförelse Diesel och Bensin Lars Eriksson - Kursansvarig Fordonssystem, Institutionen för Systemteknik Linköpings universitet larer@isy.liu.se Motor Diesel vs Bensin Diesel Fuel Injection and Combustion Performance Torque Performance Emissions Motor Avancerade koncept Framtida Ingenjörsutmaningar December 13, 18 4 / 46 / 46 Diesel- och bensinmotorer De stora skillanderna Förbränningsprocesserna Bensin Diesel (Spark Ignited) (Compression Ignited) Bränsle Bensin Diesel Luftintag Trottel Raka rör Bränsleinsprutning I insugningssystemet Direkt i cylindern Laständring Luftflöde pi Bränslemängd Qin Luft- & bränsleblandning Homogen Stratifierad Förbränningsstart Tändgnista Självantänder Förbrännigstyp Förblandad Diffussion Emissioner CO, HC och NOx NOx och partiklar 3-vägskatalysator partikelfälla de-nox-katalysator Bensin Hot post flame region Spark plug Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture Diesel rc λ. 1. >1.1 6 / 46 7 / 46

2 Enhetsinsprutare Common rail 8 / 46 9 / 46 Förbränning, John Dec (1997) Spray och förbränning, John Dec (1997) SOI + SOI + Pressure [bar] 14 Injection 1 SOI EOI 3 Pressure Heat release 8 Premixed 6 4 SOC Mixing controlled Crank angle [deg] Heat release [kj/rad] SOI + SOI + SOI + SOI + SOI + SOI + Start Of Injection, End Of Injection Start Of Combustion, Ignition delay Premixed combustion, Diffusion (mixing) combustion SOI + SOI + / / 46

3 Diesel p V diagram Volume [dm 3 ] Enlargement of gas exchange Volume [dm 3 ] Skisser på bensin och dieselmotorer Hur beskriver man Dieselmotorns prestanda? Bensin Air filter Diesel Air filter Throttle Intercooler Fuel injectors Intake Exhaust Engine Manifold Manifold Compressor Turbocharger Turbine Wastegate Exhaust System Aftercooler Intake Exhaust Manifold Manifold Engine EGR EGR Cooler Valve Compressor Turbine Shaft VG Turbine Exhaust Pipe Momentmodellen Utgår från den teromdynamiskt baserade momentmodellen, som kopplar bränsle till arbete/moment. Analysera komponenterna. Börjar med pv-diagrammet. Moderna Dieselmotorer är alltid utrustade med turbo. 1 / / 46 Ett pv-diagram, uppmätt på en dieselmotor Försumbara pumpförluster Diesel Pressure Volume Diagram Pressure [bar] 14 1 Pressure [bar] 8 6 Momentmodellen (välkänd) 4 Wi,n = Wi,g Wpump Wfric Volume [dm 3 ] Ingen ideal Diesel cykel! Inte konstanttryckförbränning. Wi,g mf Wpump Wfric = VdFMEP(N,...) 14 / 46 / 46

4 Gasoline engine Specific fuel consumption [g/kwh] Engine speed [rpm] Diesel engine High load Low load BSFC [g/kwh] Engine speed [RPM] Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Lastförändringsprincip i Bensin- och Dieselmotorn Pressure [MPa] Temperature [K] 16 / / 46 Musseldiagram Hur är det med Dieselmotorns emissioner? En dieselmotor och en bensinmotor Dieselmotorns emissions avvägning Torque [Nm] Jämförelse av absoluta sfc-tal är inte riktigt rättvis pga olika motorstorlek, 11.7 respektive.3 liter. BMEP [bar] Emissionerna är i huvudsak Partiklar (sot, rök) Particulate Matter (PM) Kväveoxider, NOx 18 / / 46

5 VNT=1. VNT=.6 VNT=.4 VNT=.8 VNT=. Expansion ratio Π t [ ] VNT=.1 VNT=. Varför har Dieselmotorn höga NOx? Varför har Dieselmotorn höga NOx? Temperature [K] Gasoline engine 3 Diesel engine High load Low load Bensin Diesel Hot post flame region Spark plug Fuel injector Flame front Hot combustion region Rich region Air Fuel and air mixture Global temperatur är inte nyckeln. Lokala temperaturen är nyckeln. / 46 1 / 46 Hur reducerar man den lokala temperaturen? EGR och VGT system Blandningen brinner vid lokalt gynnsamma förhållanden runt λ = 1 Kan inte använda globalt lambda. mf qhv mf qhv 1 xr qhv T = = = mtot cv ma + mf + mr cv λ(a/f )s + 1 cv Residualgas, dvs EGR. Corrected flow [kg/s] / 46 3 / 46

6 Efterbehandling UREA system: Tank, Va rmare+pump Air Engine C UREA Fuel Extra tank, UREA + vattenlo sning, sma ltpunkt -11. Lagkrav pa tid fra n fryst till na r man ma ste kunna spruta in. T DOC DPF SCR NH3 EGR I EGR/VGT I Diesel insprutning I Diesel Oxidizing Cat (DOC), Diesel Particulate Filter (DPF) I Insprutning av Urea CO(NH3 ) lo sning (Urea+vatten) I Selective Catalytic Reduction (SCR), Ammonia Slip Catalyst (NH ) I La gre bra nslekostnad, ho gre efterbehandlingskostnad 4 / 46 Dieselmotor Totalt System / 46 Fo rdelar och nackdelar Air Compressor Air flow meter Sensors p, T Intake throttle Cylinders and injectors Intercooler CR pump Fuel rail LP EGR system I Ho gre kompression I La gre pumpfo rluster I Mager blandning Air filter EGR Cooler Exhaust brake (HD) I Emissioner Tre nackdelar fo r dieselmotorn Exhaust valve I Ho ga NOx emissioner Skiktad och mager blandning λ > 1 samt ho g kompression I Ingen enkel efterbehandling mager blandning λ > 1 I Sot- och partikelbildning stratifierad blandning VGT DOC+DPF HP EGR system I Effektivitet Tre fo rdelar fo r dieselmotorn EGR Valve NOx absorber/ SCR with NH3 Cat Exhaust EGR Cooler EGR valve I Long and short route EGR & ma nga andra system 6 / 46 7 / 46

7 Dieselmotorer och ljud Dieselmotorer och ljud 8 / 46 9 / 46 Bränslereglering Fuel Injector Characteristics Två system i för de två delarna i bränsleregleringen. Lågtrycksdel fuel supply system Högtrycksdel fuel injection system Lågtrycksdelen förbereder bränslet genom filtrering och vattenseparation för att slutligen leverera bränslet till högtrycksdelen. Det finns några regleringsaspekter i lågttrycksdelen, såsom förvärmning i vissa fall. m f [mg/inj] SI Engine Port Injector Measurement Model t inj [ms] m f [mg/inj] CI Engine Common Rail Injector bar bar 8 bar 6 bar 4 bar bar 1 bar t inj [ms] Huvuddelen av regleringen ligger i högtrycksdelen. 3 / / 46

8 Principskiss av mulitpla bränsleinsprutningar Exempel på mulitpla bränsleinsprutningar 4 Peak current 3 Injection rate Pre injection Main injection Post injection Acoustic measures Combustion optimization Emission control measures Time Pressure [bar] Injector current Hold current Pressure rise gives sound 1 pre injection pre injections Crank Angle [deg] Även strömreglering till injektorn. 3 / / 46 Innehållsförteckning Motor Diesel vs Bensin Motor Avancerade koncept Variabel Kompression Direktinsprutning Framtida Ingenjörsutmaningar Motor Kompression och effektivitet Luft och bränsle arbete och emissioner pv-diagram med standardcykler som modell av uppmätt indikatordiagram. { Otto: ηf,i = 1 1, rc Cykeleffektiviteten γ 1 Diesel: ηf,i = 1 1 β γ 1 rc γ 1 (β 1)γ rc Knack Begränsning vid höga temperaturer (höga laster). Kan man göra något åt kompromissen? 34 / 46 3 / 46

9 3 3 4 kpa & rpm Compression ratio kpa & rpm Compression ratio kpa & rpm Compression ratio 13 kpa & rpm Compression ratio Variabel kompression, vɛ Motor - Variabel kompression Vd + Vc ɛ = rc = Vc 36 / / 46 Motor - Variabel kompression Motor - Variabel kompression Ek N ṁfi pim, Tim Bypass throttle ubp ṁat Intercooler Compressor Clutch rc θign Intressanta utmaningar Samtidig styrning av kompression och tändning Kompressorinkoppling Strategier för trottel Samtidig styrning av huvudtrottel och kompressor by-pass Ignition angle [deg btdc] Ignition angle [deg btdc] Ignition angle [deg btdc] Ignition angle [deg btdc] Main throttle uth Gearbox ucl 38 / / 46

10 Ratio 14:1 EFFICIENCY HIGH Difference in piston height between compression ratios LOW 4 3 Ratio 8:1 POWER 1 Piston Upper-link Multi-link Crank Shaft Harmonic Drive Control Shaft Actuator arm Understanding VC-Turbo technology 1 When a change in compression ratio is needed, the Harmonic Drive turns and moves the actuator arm The actuator arm rotates the control shaft 3 As the control shaft rotates, it acts upon the lower-link, which changes the angle of the multi-link 4 The multi-link adjusts the height the piston can reach within the cylinder, thus changing the compression ratio Annan Teknisk Lösning Samma Grundprincip GDI - Fusion av Diesel och Bensin INFINITI VC-TURBO ENGINE COMPARISON OF VC-TURBO TECHNOLOGY IN HIGH AND LOW COMPRESSION RATIOS Inriktat på att förbättra dellastverkningsgraden Låg last fullt öppet spjäll sen injektionstidpunkt stratifierad blandning, lokalt λ [., 1.3] Hög last Delvis stängt spjäll tidig injektionstidpunkt λ = 1 (för emissionsrening) Konceptet kräver avancerade styrsystem. Utmaningar Efterbehandlingssystem för NOx, (lösning NOx-fällor). Sot/partiklar har traditionellt inte varit något problem för bensin. Partikelräkning. 4 / / 46 Innehållsförteckning Motor Diesel vs Bensin Motor Avancerade koncept Framtida Ingenjörsutmaningar WLTP RDE CAFE Nya krav från myndigheter Design av fordon och drivlina Nu Styrd at körcyklerna. Standard. Systematisk design. Nu Körcykler byts ut. NEDC WLTP Framtid Real Driving Emissions (RDE) 4 / / 46

11 Solid dots and lines: historical performance Solid dots and dashed lines: enacted targets Solid dots and dotted lines: proposed targets Hollow dots and dotted lines: target under study S. Korea : 3 Mexico 16: 173 Canada 16:17 China : 117 Japan : EU : 9 [1] China's target reflects gasoline vehicles only. The target may be lower after new energy vehicles are considered. [] US, Canada, and Mexico light-duty vehicles include light-commercial vehicles. US :7 US-LDV Canada-LDV EU Japan China S. Korea Australia Mexico Cycle Beating to RDE CAFE - Corporate average fuel economy The International Council of Clean Transportation - theicct.org Hur skall vi designa, kalibrera och validera för RDE. Grams CO per Kilometer normalized to NEDC / 46 4 / 46